DE2552125C2

DE2552125C2 -

Info

Publication number: DE2552125C2
Application number: DE2552125A
Authority: DE
Inventors: Wladimir Obermajer
Original assignee: CENTRE CHIRURGIE CARDIAQUE
Current assignee: CENTRE DE CHIRURGIE CARDIAQUE, ARZIER, CH
Priority date: 1974-11-20
Filing date: 1975-11-20
Publication date: 1989-01-19
Also published as: US4035622A; FR2291731A1; FR2291731B1; CH596823A5; DE2552125A1

Description

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zum Bestimmen des Herzhöhlenvolumens nach dem Oberbegriff des Patent anspruches 1.

Aus Gründen der vereinfachten Darstellung wird im folgenden hier von "Herzvolumen" gesprochen, wobei das Herzhöhlenvolumen bzw. das im Herzen befindliche Blutvolumen mit diesem Begriff gemeint ist.

Für die Messung der Herzdurchflußleistung werden Verdünnungs methoden verwendet, insbesondere solche, die Farbstoffe oder die Injektion einer Kühlflüssigkeit (Thermoverdünnung) verwenden. Dies ist z. B. aus der US-PS 33 04 413 bekannt. Man kann zeigen, daß diese Durchflußleistung durch folgende Gleichung bestimmt werden kann:

wobei

die mittlere Blutdurchflußleistung, Q _i die Gesamtmenge des stromaufwärts vom Herzen injizierten Anzeigemittels (Farbstoff oder Kühlmittel bzw. große Kalorien), Δ (t) die Anzeigemittelkonzentration oder die Tempertur abweichung am Ausgang des Herzens in Abhängigkeit von der Zeit t ist, wobei als Zeitbeginn der Zeitpunkt des Anfangs der Anzeigemittelinjektion oder ein früherer Zeitpunkt gewählt wird.

Bezüglich der Messung des Herzvolumens (Kammervolumen, Vorhof volumen oder Gesamtvolumen) sind verschiedene Versuche unternommen worden, wobei insbesondere zwei Verfahren benutzt werden:

Das erste Verfahren besteht darin, die Kurve (t) nach dem Ende der Injektion an eine abnehmende Exponentialfunktion anzu gleichen und daraus das Herzvolumen herzuleiten. Wenn die Anzeigemittelinjektion in die Herzkammer erfolgt, führt die Ungleichmäßigkeit der Mischung zu erheblichen Fehlern. Wenn die Injektion in den Vorhof oder stromaufwärts erfolgt, kann man zeigen, daß die abnehmende Kurve Δ (t) die Summe von zwei verschiedenen Exponentialfunktionen ist und daß die Angleichung an eine Exponentialfunktion zu sehr schweren Fehlern führt.

Das zweite Verfahren geht von folgender Überlegung aus: Unter der Annahme, daß zum Zeitpunkt t ₀ plötzlich eine bestimmte Anzeigemittelmenge Q _i injiziert wird, kann die Kurve Δ (t) als ein Histogramm, in Abhängigkeit von der Zeit, der Aufenthaltsdauer der Anzeigemittelelemente (Farbstoff moleküle oder große Kalorien) im Herzen angesehen werden, wobei der mittlere Wert dieses Aufenthaltes durch folgende Gleichung bestimmt werden kann:

Unter der Annahme, daß die Blutmoleküle die gleiche Aufent haltsdauer wie die Anzeigemittelmoleküle haben, kann das vom Blut eingenommene Volumen V durch folgende Gleichung bestimmt werden:

Diese Berechnung setzt eine plötzliche Injektion voraus. Aus mechanischen Gründen ist es jedoch praktisch unmöglich, die Dauer dieser Injektion unterhalb eines erheblichen Bruchteils einer Sekunde zu bringen, was einen recht erheblichen Fehler mit sich bringt, wobei normalerweise in der Größenordnung von einer bis drei Sekunden liegt, und darüber hinaus bringt die Injektion durch die vom Anzeigemittelstrahl hervorgerufene mechanische Reaktion eine Verschiebung der Sonde mit sich, die aufeinanderfolgende Messungen nicht vergleichbar macht.

Man könnte allerdings dieses Verfahren benutzen, wobei eine nicht augenblickliche Injektion praktiziert würde. Hierfür wäre es erforderlich, aufgrund des eine Funktion der Zeit darstellenden Histogramms der injizierten Anzeigemittelmengen eine mittlere Verzögerungszeit ₀ der Injektion im Verhältnis zu ihrem Beginn zu berechnen und in der Gleichung (3) an Stelle von den Ausdruck - ₀ zu setzen. Man kennt die Schwierigkeiten, ein solches Verfahren durchzuführen, welches außer dem Integral zur Messung der Durchfluß leistung die Messung eines oder von zwei zusätzlichen Integralen erfordert, was verschiedene und komplexe Berechnungs vorrichtungen nach sich zieht.

Darüber hinaus ist klar, daß dieses Verfahren bei der Schnelligkeit des Verschwindens des Anzeigemittels äußerst abhängig ist von der Wahl des Zeitpunkts der Injektion im Verhältnis zur Phase des Herzzyklus′, was allein einen Fehler von 25% ausmachen kann.

Ausgehend vom oben genannten Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Bestimmen des Herzhöhlenvolumens dahingehend weiterzubilden, daß das Markierungsmittel nicht plötzlich injiziert werden muß.

Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch angegebenen Merkmale gelöst.

Das mit dem erfindungsgemäßen Gerät durchgeführte Meßverfahren hat gegenüber dem bisher bekannten vollständig andere Grundlagen. Es stützt sich im wesentlichen auf die Tatsache, daß, wenn man eine kontinuierliche Anzeigemittel injektion mit konstanter Durchflußleistung vorsieht, die Anzeigemittelkonzentrationen in verschiedenen Teilen des Herzens nach kurzer Zeit einen stationären Zustand erreichen. Die Berechnung zeigt, daß für ein normales Herz drei oder vier Herzschläge ausreichen, um diesen Zustand mit sehr guter Annäherung zu erreichen.

Wenn Q _i die Gesamtmenge des Anzeigemittels ist, die man injizieren will, und wenn mit q(t) die Anzeigemittelmenge bezeichnet wird, welche zum Zeitpunkt t stromaufwärts vom Meßpunkt für Δ (t) im Herzen und in der Injektions vorrichtung vorliegt, wobei q (0) = Q _i und q (∞) = 0 ist, kann folgende Gleichung aufgestellt werden:

In dieser Gleichung, die der Gleichung (1) ähnelt, bedeutet t _m a priori irgendeinen Zeitpunkt.

Nachdem eine Injektion mit einheitlicher Durchflußleistung während eines ausreichenden Zeitabschnittes durchgeführt worden ist, um den stationären Zustand anzunähern, wird die Injektion zum Zeitpunkt t _m plötzlich angehalten, wobei die im Herzen befindliche Anzeigemittelmenge offensichtlich q(t _m ) ist. Durch Vereinigung der Gleichungen (1) und (4) erhält man:

Die beiden Integrale unterscheiden sich nur durch den Anfangswert der Variablen t.

Wie sich zeigt, ist die Anzeigemittelkonzentration Δ _m im Herzen nach Erreichen des stationären Zustandes im wesentlichen einheitlich und konstant, wobei sie durch folgende Gleichung gegeben ist:

wobei D _i die Durchflußleistung des Anzeigemittels (Farbstoff oder große Kalorien) ist.

Weiterhin gilt:

wobei V das im Herzen zum Zeitpunkt t _m befindliche Blutvolumen ist.

Durch Kombination der Gleichungen (5) und (7) ergibt sich:

Diese Gleichung kann ebenfalls folgendermaßen geschrieben werden:

Durch Kombination der Gleichungen (6) und (9) und durch Bezeichnung der Injektionsdauer mit t _i erhält man:

wobei diese Gleichung auch folgendermaßen geschrieben werden kann:

Die Gleichungen (3) und (11) sind äquivalent, wenn, und nur wenn der Injektionsbeginn am Anfang einer Systole liegt. Wenn dies nicht der Fall ist, ist das mit Hilfe der Gleichung (3) berechnete Volumen mit Fehlern behaftet, wohingegen das durch die Gleichung (11) gegebene Volumen richtig bleibt. Dies ist ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung.

Wenn man die Berechnung von V mit Hilfe der Gleichung (9) mit derjenigen vergleicht, die man durch die Gleichung (10) erhält, zeigt sich, daß für den Fall, daß der stationäre Zustand unvollständig verwirklicht ist, der hierdurch hervorgerufene Fehler für ein normales Herz drei- bis viermal kleiner ist bei Verwendung der Gleichung (9) im Vergleich zu der Gleichung (10). Andererseits erfordert die Gleichung (9) im Gegensatz zur Gleichung (10) die Messung von Δ _m. Dies stellt nicht unbedingt einen Nachteil dar, wenn für die Messung von ∫Δdt ein numerisches Integrationsverfahren durch periodische Stichprobenentnahme des Wertes von Δ (t) benutzt wird, wobei die letzte Stichprobe vor der Unterbrechung der Injektion offensichtlich den Wert von Δ _m ergibt. Die Verwendung der Gleichung (9), kombiniert mit einer numerischen Integration für die Messung von

stellt eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.

Ein erster Vorteil der Erfindung besteht darin, daß nur eine einzige numerische Integrationsform benutzt wird, was eine sehr große Vereinfachung der für die Messung des Herzvolumens erforderlichen Integrationen darstellt.

Ein zweiter Vorteil der Erfindung besteht darin, für die Messung des Herzvolumens ein richtiges Ergebnis zu liefern, das unabhängig von der Phase des Beginns der Anzeigemittelinjektion in bezug zum Herzzyklus ist.

Ein besonderer Vorteil des bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung besteht darin, für eine vorgegebene Injektionsdauer ein genaueres Ergebnis für die Messung des Herzvolumens zu ermöglichen oder für eine vorgegebene Genauigkeit eine kürzere Injektionszeit zu erlauben.

Im nachfolgenden wird in Verbindung mit der Zeichnung eine Vorrichtung beschrieben. Diese Vorrichtung ermöglicht die gleichzeitige Anzeige der Herzdurchflußleistung D und des Herzvolumens V.

In der einzigen Figur sind die verschiedenen Funktionen, deren Vereinigung die Vorrichtung bildet, in Blockform dargestellt.

Die Vorrichtung enthält einen Meßfühler 1, der mit Hilfe der Sondentechnik stromabwärts so nahe wie möglich einer rechten oder linken Herzkammer einer Herzhälfte, deren Volumen und Durchflußleistung gemessen werden soll, angeordnet wird. Dieser Meßfühler ist mit einem Wandler 2 verbunden, der die vom Meßfühler gelieferte, in Abhängigkeit von der Anzeigemittel konzentration veränderliche Größe in ein elektrisches Signal umwandelt, das auf den Eingang eines Verstärkers 3 gegeben wird. Der Wandler 2 kann gegebenenfalls eine Nullpunkt regelung aufweisen, was für die Thermoverdünnung gilt, bei welcher der Meßfühler ein temperaturabhängiger Widerstand ist. Der Wandler ist hierbei eine Meßbrücke mit ihrer Gleich gewichtseinrichtung.

Die Injektion des Anzeigemittels erfolgt durch einen Injektor 4. Bei dem Ausführungsbeispiel ist der Injektor 4 eine elektromechanische Vorrichtung, die während der Injektion eine konstante bestimmte Durchflußleistung, z. B. 2,5 cm³ pro Sekunde, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform gewährleistet, wobei lediglich die Injektionsdauer von einer Messung zur anderen verändert werden kann.

Ein von einem Taktgeber 6 gesteuerter Folgegenerator 5 steuert die verschiedenen Operationen und insbesondere den Beginn und das Ende der Injektion (also das injizierte Volumen) sowie die vom Rechenwerk 9 vorgenommenen Operationen der numerischen Berechnung.

Der Taktgeber 6, der vorzugsweise aus einer Quarzuhr besteht, liefert dem Folgegenerator 5 eine Zeitbasis und steuert außerdem einen Analog-Digital-Wandler 7, der das vom Verstärker 3 gelieferte analoge Signal in ein digitales Signal umwandelt.

Ein manueller Auslöser 8, der aus einem einfachen Druckknopf unterbrecher bestehen kann, ist mit dem Folgegenerator 5 verbunden, dessen Betrieb er einleitet.

Der Analog-Digital-Wandler 7 ist dauernd in Betrieb und in gleichen und ausreichend dicht beieinanderliegenden Zeitintervallen, die vom Taktgeber 6 gesteuert werden, wandelt er die vom Verstärker 3 gelieferte Spannung in eine Impulsfolge um, deren Zahl dem Wert dieser Spannung proportional ist. Der Ausgang des Wandlers 7 ist mit drei Toren 9 A 1, 9 A 2 und 9 A 3 verbunden, die im Rechenwerk 9 angeordnet sind und getrennt durch den Folgegenerator 5 gesteuert werden. Jedes dieser Tore ist mit einem Zähler 9 B 1, 9 B 2 und 9 B 3 verbunden. Diese Zähler summieren die Impulse, die während der Öffnung eines jeden Tores im Verlaufe derselben Meßoperation eingehen.

Die Zähler 9 B 1, 9 B 2 und 9 B 3 enthalten eine Vorrichtung zur gleichzeitigen Nulleinstellung, die vom Folgegenerator 5 gesteuert wird. Sie sind darüber hinaus mit einem allgemeinen Register 9 C verbunden, der bei Ansteuerung durch den Folge generator 5 die numerischen Werte des Inhalts der Zähler 9 B 1, 9 B 2 und 9 B 3 empfängt. Er nimmt in der gleichen Weise die von einem Parameterblock 9 D und einem Programmblock 9 E aufgenommenen Informationen auf.

Der Parameterblock 9 D enthält in dauerhafter oder einstellbarer Form die numerischen Parameter, die in Verbindung mit den von den Zählern 9 B 1, 9 B 2 und 9 B 3 gelieferten Zahlen erlauben, über alle numerischen Daten, die zur Berechnung der Herzdurchflußleistung und des Herzvolumens in den gewünschten Einheiten und in Abhängigkeit von den für jeden Meßvorgang besonderen experimentellen Bedingungen erforderlich sind, zu verfügen.

Der Programmblock 9 E enthält in dauerhafter Form die Instruktionen für die Berechnung.

Das allgemeine Register 9 C ist derart organisiert, daß es auf Befehl des Folgegenerators 5 in richtiger zeitlicher Reihenfolge die numerischen Daten und die Instruktionen in den Rechner 9 F gibt, der für die Erstellung der von der Vorrichtung erwarteten Ergebnisse vorgesehen ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform dienen während der Berechnung die leeren Teile des allgemeinen Registers 9 C als Hilfsspeicher für den Rechner 9 F.

Die von dem Rechner 9 F gelieferten Berechnungsergebnisse werden in einem Ergebnisspeicher 9 G gespeichert, der seinerseits dauernd oder auf Wunsch einen Anzeigeblock 10 steuert.

Im folgenden wird die Funktionsweise der oben beschriebenen Vorrichtung erläutert. Zur Vereinfachung der Schreibweise werden folgende Abkürzungen eingeführt:

Die Herzdurchflußleistung D wird mit Hilfe der Gleichung (1) berechnet, die folgendermaßen geschrieben werden kann:

Das Herzvolumen V wird mit Hilfe der Gleichung (9) berechnet, die sich folgendermaßen schreibt:

Die Menge Q _i, die die injizierte Anzeigemittelmenge darstellt, ist bei der bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens proportional zur Injektionsdauer t _i des Anzeige mittels. Man kann zeigen, insbesondere hinsichtlich der Thermoverdünnung, daß die Störphänomene, wie thermische Diffusion, besondere Eigenschaften der Hydrodynamik des Herzens oder die thermische Trägheit des Meßfühlers in erster Annäherung äquivalent sind zu einem Multiplikations koeffizienten für Q _i derart, daß man an Stelle von Q _i in Gleichung (12) einen Faktor K setzen kann, der experimentell durch einen physikalischen Simulator bestimmt wird und welcher allgemein der Konzentration des injizierten Anzeigemittels, der Injektionsdauer und in erster Ordnung allen mit der Messung verbundenen Störphänomenen Rechnung trägt.

In dem besonderen Falle der Thermoverdünnung ist es zweckmäßig, K in Form von k (T _s - T _i ) zu schreiben, wobei T _s die Temperatur des Blutes vor der Injektion und T _i die Temperatur der injizierten Flüssigkeit ist, die außerhalb des Körpers des Patienten gemessen wird. In diesem Falle berücksichtigt k insbesondere die Menge der injizierten Flüssigkeit, die Wiedererwärmung der Flüssigkeit, bevor sie das Herz erreicht, und die Volumenwärme dieser Flüssigkeit verglichen mit derjenigen des Blutes.

Die Gleichung (12) kann daher folgendermaßen geschrieben werden:

Die Funktionsweise der Vorrichtung wird entsprechend den Gleichungen (14) und (13) und für den Fall der Thermo verdünnung beschrieben.

Zunächst wird vor jeder eigentlichen Messung die Temperatur T _s des Patienten gemessen und der Faktor (T _s - T _i ) in den Parameterblock 9 D mit bekannten Methoden eingeführt. Anschließend wird in den gleichen Block die Zahl k eingeführt, die sich z. B. aus Tabellen in Abhängigkeit des Sondentyps, der Art der injizierten Flüssigkeit und der Injektions durchflußleistung ergibt.

Danach wird die Sonde eingeführt, der Nullpunkt des Wandlers 2 eingestellt und mit Hilfe des Auslösers 8 die Meßfolge eingeleitet.

Der Folgegenerator 5 betätigt den automatischen Injektor 4 zur gleichen Zeit, zu der er das Tor 9 A 1 öffnet, während die Tore 9 A 2 und 9 A 3 geschlossen sind und die Zähler 9 B 1, 9 B 2 und 9 B 3 auf Null gestellt worden sind.

Am Ende einer Injektionsdauer t _i, die gegebenenfalls regelbar ist (in diesem Fall muß der Faktor k dies berücksichtigen), wird das Tor 9 A 2 während einer einzigen Stickproben entnahmeoperation geöffnet, wobei der Zähler 9 B 2 eine der Konzentration Δ _m proportionale Zahl enthält. Wenn das Tor 9 A 2 geschlossen ist, wird das Tor 9 A 3 unverzüglich geöffnet, wobei der Folgegenerator 5 gleichzeitig den Betrieb des automatischen Injektors 4 unterbricht. Es wird ein ausreichender Zeitabschnitt abgewartet, bis Δ (t) praktisch Null geworden ist. Dann werden die Tore 9 A 1 und 9 A 3 geschlossen. Zu diesem Zeitpunkt enthält der Zähler 9 B 1 eine zu S proportionale Zahl und der Zähler 9 B 3 eine zu S′ proportionale Zahl.

Der Folgegenerator 5 löst nunmehr die Ladung des allgemeinen Registers 9 C aus und startet dann die Berechnungsoperationen mit Hilfe des Rechners 9 F. Das allgemeine Register 9 C ist der art organisiert, daß der Rechner 9 F die erforderlichen Berechnungen in drei Stufen durchführen kann.

Die erste Stufe führt zur Berechnung des Wertes von D, z. B. ausgedrückt in Liter pro Minute. Hierfür sind die entsprechend der Gleichung (14) vorgesehenen Operationen durchzuführen:

k × (T _s - T _i ) : S = D

Der Faktor k ist, wie oben erläutert worden ist, derart bestimmt, daß er die Eigenarten der Messung berücksichtigt. Gleichzeitig enthält er einen festen Koeffizienten, welcher unter Berücksichtigung der von den Zählern gelieferten numerischen Werte der Größe D einen numerischen, in der gewünschten Einheit ausgedrückten Wert verleiht, z. B. Liter pro Minute. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Berechnung von D mit festem Komma, wobei für D zwei Dezimalziffern genommen werden, wobei die zweite Dezimale bis auf eine nahe Einheit genau ist.

Der so berechnete Wert von D wird stellenrichtig wieder in das allgemeine Register 9 C eingeführt. Anschließend erfolgt die zweite Stufe der Berechnung, in welcher die gemäß der Gleichung (13) vorgesehenen Operationen durchgeführt werden:

D × S′ : Δ _m = v

Man erhält so eine Zahl v, die V proportional ist und die noch mit einem Faktor k′ multipliziert werden muß, um V in einer zweckmäßigen Einheit, z. B. in Millimetern zu erhalten. Vorzugsweise ist v mit festem Komma berechnet und k′ weist eine begrenzte Zahl von signifikanten Ziffern auf, derart, daß das Produkt k′v = V z. B. nur eine bis auf eine Stelle genaue Dezimalziffer aufweist.

Wenn der Rechner 9 F z. B. acht signifikante Ziffern liefern kann, wobei D, ausgedrückt in Litern pro Minute mit zwei Dezimalen, höchstens vier signifikante Ziffern enthält und V, ausgedrückt in Millimetern mit einer Dezimalen, höchstens nur vier enthält, ergibt die Operation:

100 000 k′v + D
oder
100 000 V + D

am Ausgang des Rechners 9 F acht Ziffern, wobei die ersten vier V und die letzten vier D entsprechen der Art, daß nach Speicherung durch 9 G und Anzeige durch die Anzeigevorrichtung 10 V und D nebeneinander gelesen werden können, wobei die von dem Rechner nicht erzeugten Kommata in fester Position auf der Anzeigevorrichtung 10 eingezeichnet sind.

Die oben beschriebene Verbesserung, die eine große Verein fachung des Rechenwerks 9 mit sich bringt, kann Gegenstand verschiedener Abänderungen sein, insbesondere in Abhängigkeit von allen numerischen, benutzten Werten. In verschiedenen Fällen kann der Rechner 9 F z. B. am Ausgang zehn signifikante Ziffern haben, wobei lediglich acht an der Anzeigevorrichtung angezeigt werden.

Claims

1. Vorrichtung zum Bestimmen des Herzhöhlenvolumens (V), die einen Injektor zum Injizieren eines Markierungsmittels (Farbstoff oder Kühlmittel) stromaufwärts vom Herzen, einen Meßfühler, der stromabwärts vom Herzen positionierbar ist, um die Konzentration Δ (t) des Markierungsmittels im Blut (bzw. den Temperatursprung im Blut) in Abhängigkeit von der Zeit t zu messen, wobei zum Zeitpunkt der Injektion t = 0 gesetzt ist, sowie Recheneinrichtungen zum Berechnen des Herzhöhlenvolumens umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß mittels des Injektors eine Menge (Q _i ) des Markierungsmittels bei einer konstanten Durchflußleistung (D _i ) während einer Zeit t _i, die mindestens zwei Herzschlägen entspricht, injizierbar ist, und daß die Recheneinrichtungen Einrichtungen zum Berechnen der Integrale und Einrichtungen zum Berechnen des Volumens V nach der Gleichung aufweisen, wobei t _m mit Zeitpunkt des Injektionsendes und Δ _m die Konzentration an Markierungsmittel (bzw. die Temperatur abweichung) im Blut zum Zeitpunkt t _m bedeuten.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Messung von Δ _m, S und S′ einen den Injektor (4) steuernden Folgegenerator (5), einen den Generator (5) steuernden Taktgeber (6), einen vom Taktgeber (6) gesteuerten Analog-Digital-Wandler (7) und ein vom Folgegenerator (5) und vom Wandler (7) gesteuertes Rechenwerk (9) aufweisen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rechenwerk (9) drei Tore (9 A 1, 9 A 2, 9 A 3) aufweist, die den Wandler (7) jeweils mit drei Zählern (9 B 1, 9 B 2, 9 B 3) verbinden, die jeweils für Δ _m, S und S′ bestimmt sind.